山區鐵路橋梁墩臺邊坡防護工程設計研究

嚴 棟

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

山區高速鐵路建設過程中,受線路曲線半徑及縱坡等選線控制指標的限制,導致山區鐵路橋隧占比高。當鐵路穿山越嶺時,不可避免地存在橋梁墩臺或梁部結構侵入山體的情況,導致山體大面積開挖,從而帶來大量墩臺邊坡穩定性問題。 由于施工開挖破壞原有邊坡平衡,使得邊坡變為復雜的地質體,邊坡穩定性主要受地形地貌、地層巖性、巖體結構面、水文地質條件、施工開挖等因素影響,其變形破壞的機理非常復雜。 若邊坡開挖順序不當或防護不及時,易導致出現溜塌、崩塌、落石及工程滑坡等不良地質災害。 因此,加強墩臺邊坡穩定性分析及邊坡防護設計研究工作很有必要。

為解決山區鐵路建設過程中引起的邊坡穩定性問題,國內眾多學者已進行相關研究。 趙志明等以復雜山區鐵路自然邊坡條件及工程形式為研究對象,研究橋隧相接的工程連接形式及高邊坡防護設計措施[1];張歐陽等以山區深挖路塹邊坡為研究對象,模擬研究山區深挖路塹邊坡在不同施工順序下對邊坡穩定性的影響,并結合實時監測數據,動態調整設計方案[2];楊沖等以貴州某邊坡為例,采用赤平投影進行楔形體破壞分析,并對錨索支護在天然和暴雨工況下的穩定性進行比較[3];代云山以向莆鐵路八丘石大橋墩臺為例,研究山區鐵路墩臺及梁底開挖邊坡支擋防護設計方案的選取[4];侯杰平以長昆高速鐵路橋梁墩臺邊坡防護工程為依托,給出橋梁墩臺邊坡與相鄰路基、隧道相接處邊坡防護方案以及橋墩之間的邊坡防護方案,并通過設置擋土墻、樁板墻、防護樁等防護結構物以及調整順接邊坡起坡點位置,使橋路、橋隧、橋墩之間的高陡邊坡順接安全美觀[5];巨小強以西成高鐵養家河大橋為例,采用強度折減理論,對不同工況下的穩定性進行分析,綜合確定橋基邊坡的穩定坡角[6];燕彥君等以某鐵路高邊坡工程為依托,結合工程實測數據,采用數值模擬計算模型,對鐵路高邊坡在不利工況下的長期穩定性進行預測[7]。

綜上所述,山區邊坡穩定性受工程類型、工程地質條件、施工開挖順序及多種不利因素影響,通過邊坡穩定性影響分析及評價,采用經濟、安全、合理可行的工程加固防護措施,可保證邊坡安全穩定。 以下結合杭黃鐵路橋梁墩臺邊坡所處地形地貌、工程地質條件、橋梁墩臺基礎結構埋深及施工開挖順序等控制條件,評價墩臺基礎開挖對邊坡的穩定性影響。

1 橋梁墩臺邊坡穩定性影響評價

1.1 工程地質條件對邊坡的影響

(1)地形地貌

自然邊坡失穩破壞與地形地貌有直接關系,是地形地貌演變過程中一種表現形式。 邊坡的高度、長度、坡度、平面形態及臨空條件等都對邊坡應力分布和穩定性有影響。 總體來說,在深切陡坡山體,自然地質作用強烈,對邊坡穩定性不利。

(2)地層巖性

地層巖性是構成邊坡的物質基礎,是邊坡失穩的決定性因素。 巖性決定巖石的強度及抗風化性能,遇水是否軟化,在相同構造力作用下的節理裂隙發育程度,而這些都與邊坡的穩定直接相關。

根據地質情況可分為兩類:一類是由第四系沖洪積、殘坡積碎石土層組成,結構松散,厚度較大,強度低,雨季含水量增加則力學指標會降低,極易沿堆積層與基巖面產生滑動,或沿坡內某一結構面產生滑動,導致邊坡失穩,很容易發生溜坍;另一類為軟質巖,如泥巖、頁巖、板巖等,具有強度低,易風化,遇水軟化等特性。 軟巖往往易風化成具母巖構造的粉質黏土,強度很低,受地下水影響易形成軟弱結構面,對巖體的強度起控制作用。 軟硬相間的地層在構造應力作用下其結構面較發育,巖體破碎,為地下水的賦存徑流提供良好的條件,又加劇巖石的風化。 硬質巖如灰巖、砂巖、花崗巖等強度高、抗風化能力強,由其構成的邊坡一般穩定性較好。

(3)地質構造

地質構造決定巖層產狀、節理裂隙性質、產狀及發育程度、斷裂構造性質等。 這些巖體結構面的走向、傾向和傾角,及其組成形式決定邊坡的穩定性。 軟質巖受構造影響嚴重,節理裂隙發育,邊坡易產生沿結構面滑動。 若邊坡結構面傾角小于邊坡坡角,易發生順層滑動,若傾角大還會發生傾倒破壞,其構成的邊坡穩定性較差。

(4)水力作用

水是邊坡失穩的誘因。 地下水長期浸泡使巖體強度降低,隨著地下水下滲,產生邊坡動、靜水壓力,增大下滑力,降低土體抗剪強度及坡體抗滑性。 這些對邊坡穩定極為不利。 因此,應加強地質測繪及勘探等地質勘察工作,詳細查明工程地質條件及水文地質條件,為橋梁墩臺邊坡防護設計提供翔實的地質基礎資料。

1.2 基礎埋深對邊坡的影響

山區鐵路選線時,應盡量避免高填深挖,當橋梁墩臺侵入傾斜山體時,應結合工程地質條件加強墩臺基礎結構形式及縱橫向布設的比選,以減少對自然邊坡的影響。 由于墩臺基礎埋置深度影響邊坡的開挖深度,而邊坡的開挖深度是邊坡穩定的外在條件,其影響邊坡開挖高度、坡率、支護結構的形式與規模。 當橋梁墩臺基礎埋深較大,導致設置支擋結構特別困難時,應在滿足邊坡穩定性的要求下,盡量減少墩臺基礎埋置深度。

1.3 施工開挖對邊坡的影響

施工開挖順序是影響邊坡穩定性的重要因素,在邊坡坡腳處開挖容易在坡腳形成臨空面,造成應力集中現象,影響坡體穩定[8]。 因此,應合理考慮施工順序,及時對開挖面進行支護。 針對橋梁墩臺,應先進行邊坡預加固,然后施工墩臺基礎,以確保邊坡穩定性。

1.4 邊坡穩定性評價

應以定性分析為基礎,定量計算為重要輔助手段進行邊坡穩定性綜合評價[9-10]。

定性分析采用工程地質類比法,對工程地質條件、設計邊坡坡度與自然坡度進行對比分析,判斷邊坡穩定受巖土體強度控制和結構面控制類型。

定量計算采用極限平衡分析法進行理論分析[11-12],主要分析邊坡在臨界破壞狀況下,邊坡滑動體外力與巖土體內部提供的抗力之間的平衡關系。 對結構復雜的巖質邊坡,可結合采用極射赤平投影法和實體比例投影法[13]。

2 橋梁墩臺邊坡支擋防護設計原則

根據邊坡穩定性影響因素分析及評價,結合鐵路橋梁墩臺基礎結構縱橫向布置形式及埋深,并充分考慮縱橫向墩臺邊坡形成的特點,以及防護措施與周圍環境的協調,在保證邊坡安全穩定前提下,采用經濟合理的防護設計措施,降低工程造價,減少對既有邊坡的影響[14]。 因此,建議墩臺防護設計原則如下[15]。

(1)墩臺邊坡防護設計應注意墩臺間的整體連續性以及單一墩臺邊坡防護設計的不連續性。

(2)墩臺邊坡防護具有一定的空間性和不規則性,不僅應做好墩臺間縱向邊坡防護,還應做好墩臺橫向邊坡防護,以及縱橫向邊坡防護的整體銜接。

(3)橋臺與路基、隧道邊坡防護銜接時,應充分考慮不同結構間的高差影響,采用斜坡、圓弧過渡以及支擋結構防護,保證邊坡防護設計的有效順接,使前后坡體盡量保持在同一平面內。

(4)基于墩臺基礎平臺開挖影響支擋結構穩定,支擋結構基礎應距墩臺基礎承臺邊界的水平距離不小于3 m。

(5)結合工程地質條件,選擇經濟合理的墩臺邊坡防護類型,主要設計原則如下。

①當巖質邊坡的結構面發育、存在順層滑動的不良情況,應采用定量分析計算邊坡的順層下滑力,評價邊坡穩定性,可采用“預應力錨索+擋墻”或抗滑樁加固防護。

②當自然邊坡為較陡的巖質邊坡,若無放坡條件,可以采用樁板墻或擋墻收坡,坡面采用預應力錨索加固防護;若存在危巖,應清除危巖或增設被動網防護。

③當軟質巖邊坡高度不高或為全、強風化硬質巖邊坡,可采用放緩邊坡,設置漿砌片石拱形骨架防護及骨架內播植,邊坡每8 m 設一級邊坡平臺,坡腳設重力式擋土墻固腳等措施。

④擋墻基礎應在墩臺基礎承臺面以下不小于1.2 m,開挖基坑應及時回填處理,確保支擋結構穩定性。

3 工程實例應用分析

杭州至黃山鐵路為時速250 km 的高速鐵路,位于皖南及浙西地區,沿線地貌形態為沖海積平原、河流階地、中低山丘陵。 鐵路穿越中低山丘陵區,地形起伏較大,自然山坡陡峭,坡度一般為25°～45°。 地質構造上位于皖浙陷褶斷帶及皖南陷褶斷帶,斷層與褶皺極為發育,分布眾多軟質巖高邊坡。 為建設綠色生態通道,使鐵路邊坡防護與周邊自然生態環境相協調,大量采用綠色生態邊坡防護設計。

根據杭黃鐵路綠色防護設計理念,結合典型工點的工程地質條件及墩臺布置形式,經邊坡穩定性分析,采用擋墻、框架錨索及樁板墻等支擋防護設計。

3.1 擋墻加固防護

(1)工程概況

外蓬大橋墩臺位于單側斜坡上,自然坡度為15°～25°,高差20～40 m,植被發育,墩臺基礎埋深2～8 m。

(2)工程地質條件

丘坡表層為坡殘積細角礫土,褐黃色,稍密,厚0.5～1.5 m;其下為奧陶系砂質泥巖,灰色,表面巖石風化強烈,全風化-弱風化,泥質膠結,中厚層狀結構,巖體較完整,巖層產狀325°∠70°,巖層反傾,巖石飽和極限抗壓強度為29.3 MPa。 節理裂隙較發育,共發育1 組節理,節理產狀160°∠79°,間距0.5 m,地下水弱發育。

(3)墩臺基礎結構及埋深

橋梁墩臺基礎位于斜坡上,屬于單一墩臺邊坡防護類型,基礎右側埋深8 m,位于強風化砂質泥巖中。墩臺基礎開挖時,應首先對右側邊坡進行加固防護,以免施工開挖引起邊坡失穩破壞。

(4)邊坡穩定性分析

根據邊坡與結構面關系,墩臺邊坡無順坡面的軟弱結構面;結合線路走向,右側無順層邊坡。 邊坡的破壞方式受巖土體強度控制。

根據地貌、巖性、構造及邊坡的自然狀態綜合分析,邊坡在自然狀態下穩定。 在暴雨入滲情況下,易導致表層巖土體抗剪強度降低,引起邊坡表層局部溜塌。因此,應加強坡面防護及防排水措施。

根據TB 10025—2019《鐵路路基支擋結構設計規范》及GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》有關規定,天然狀態下土層及全風化層的抗剪強度指標φ0=40°;砂質泥巖強風化抗剪強度等效內摩擦角φe=50°。 結合邊坡支擋結構計算側向巖土壓力。

(5)邊坡防護設計

根據邊坡工程地質條件及穩定性分析,采用“C35 混凝土擋墻收坡+拱形骨架護坡”進行防護。 擋墻距基礎承臺邊界保留3 m 安全距離,擋墻基礎位于強風化砂質泥巖中。 經側向土壓力計算,擋墻高取6 m,擋墻胸坡、墻背坡坡率為1 ∶0.25。 擋墻基礎埋深在基礎承臺面以下1.2 m。 兩側擋墻防護長度向墩臺側各延伸5 m,墻高3～6 m,以減少對邊坡的開挖影響(見圖1、圖2)。

圖1 墩臺右側邊坡擋墻防護設計斷面(單位:m)

圖2 墩臺右側邊坡擋墻防護平面(單位:m)

坡面采用“M10 漿砌片石拱形截水骨架+撒播草籽+種植小灌木”防護,邊坡位于全風化地層中,坡率為1 ∶1.25,墻頂位置及骨架護坡每8 m 設一級邊坡平臺,并設置攔水坎,平臺臺面設成4%排水坡。

通過擋墻固腳收坡及邊坡防護,有效保證了墩臺基礎開挖邊坡的穩定性。 鐵路開通運營以來,墩臺邊坡擋墻支擋防護工程安全穩定。

3.2 “框架錨索+錨索樁”加固防護

(1)工程概況

潭頭溪特大橋位于千島湖站,為多線橋梁,墩臺位置位于陡峭的單側斜坡上,自然坡度為40°～45°,高差約50 m,植被發育,靠山側基礎埋深10 m,另一側基礎露出地面,兩側基礎埋深相差較大。

(2)工程地質條件

丘坡表層為坡殘積粉質黏土,褐黃色,硬塑,厚1～2 m,其下為奧陶系砂質泥巖,局部夾粉砂巖,深灰色,基巖裸露處表面巖石風化強烈,強風化-弱風化,泥質膠結,中厚層狀結構,巖體較完整,巖層產狀125°∠35°,巖層反傾,巖石飽和極限抗壓強度為37.2 MPa。 節理裂隙較發育,共發育1～2 組節理,節理產狀290°∠56°,間距0.5 m,地下水不發育。

(3)墩臺基礎結構及埋深

橋梁墩臺基礎位于陡峭斜坡上,根據基礎結構形式,靠山側基礎埋深10 m,若坡腳開挖施工,邊坡易形成臨空面,經風化影響,易引起邊坡失穩。 因此,在開挖前需進行邊坡支擋防護,保證邊坡穩定。 右側基礎露出地面,需采取擋墻防護措施,保證基礎穩定。

(4)邊坡穩定性分析

線路走向垂直于巖層走向,根據線路走向與結構面關系,墩臺邊坡無順坡面的軟弱結構面,無順層邊坡。 邊坡的破壞方式受巖土體強度控制。

根據地貌、巖性、構造及邊坡的自然狀態綜合分析,邊坡在自然狀態下穩定。 在暴雨入滲情況下,易導致表層巖土體抗剪強度降低,引起邊坡表層局部溜塌。因此,應加強坡面防護及防排水措施。

根據TB 10025—2019《鐵路路基支擋結構設計規范》及GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術規范》有關規定,天然狀態下土層的綜合內摩擦角φ0=35°;砂質泥巖強風化等效內摩擦角φe=50°。 結合邊坡支擋結構計算側向巖土壓力。

(5)邊坡防護設計

由于山體自然邊坡較陡,根據邊坡工程地質條件及穩定性分析,考慮減少刷坡工程,采用預加固樁(錨索樁)+框架梁預應力錨索。 經側向土壓力計算,設計錨索樁懸臂端14 m,樁長26 m,截面尺寸為2.5 m×2.75 m,樁間距(中-中)為5.0 m,樁身采用C35 鋼筋混凝土,樁間采用C35 混凝土板。

右側基礎露出地面,形成臨空面,為保證基礎安全,對臨空面周圍采用擋墻加固防護,墻背進行回填。

樁頂邊坡采用1 ∶1 放坡,坡面采用“框架錨索+基材植生”防護加固。 為防止陡坡上危巖落石,上部邊坡設置被動防護網(見圖3、圖4)。

圖3 墩臺左側邊坡防護設計斷面(單位:m)

圖4 墩臺左側邊坡防護平面(單位:m)

通過錨索樁收坡加固及邊坡錨索防護,可最大限度減少邊坡開挖影響,有效地保證墩臺基礎開挖邊坡的穩定性。 鐵路開通運營以來,墩臺邊坡穩定性良好。

4 結語

隨著山區鐵路的大規模建設,邊坡穩定性影響因素研究日益深入,邊坡防護設計技術已經取得很大進步,積累豐富的經驗。 由于邊坡穩定性受地形地貌、工程地質條件、施工開挖順序等諸多復雜因素疊加影響,因此,在實際工程中,仍需加強穩定性評價及防護設計,針對不同的工程地質條件及橋梁墩臺結構形式,宜采取經濟、安全、環保、可行的支擋防護措施,設計過程中應注意以下幾點。

(1)前期勘察過程中,應重視地質調繪及勘探工作,詳細查明工程地質條件及水文地質條件,為橋梁墩臺邊坡防護設計提供翔實的地質資料。

(2)橋梁墩臺布置應加強縱橫向比選,以減少對邊坡大規模開挖為原則,調整墩臺基礎的埋置深度,選擇經濟合理可行的支擋防護措施,滿足邊坡穩定性。

(3)應嚴格按照邊坡開挖順序施作,核查地質情況,并及時根據施工反饋的信息調整方案,進一步完善設計。